Часть II
Изменение в строении земной коры
Тектонические явления -- это нарушения природного равновесия в строении земной коры. Причины таких нарушений весьма разнообразны и взаимосвязаны. Они обусловлены главным образом действием геофизических и геологических сил как эндогенного (внутреннего), так и экзогенного (внешнего) происхождения. В последние столетия воздействие человека на поверхностную часть литосферы стало настолько ощутимым, что мы теперь имеем право говорить о появлении тектонических, которые можно назвать антропогенными, т.е. созданными человеком. Иногда нарушения развиваются медленно, в течение десятилетий, реже столетий. Такие процессы распространяются, как правило, на сравнительно большие площади, захватывая десятки и сотни квадратных километров и проникая в глубь земной коры на сотни метров. Быстрые нарушения длятся дни и месяцы, чаще всего ограничены по площади, проникают вглубь на единицы, десятки а иногда и сотни метров. Можно выделить и основные группы причин, вызывающих антропогенные тектонические изменения в земной коре.
1. Внешние причины обусловлены, как правило, воздействием поверхностных нагрузок, нарушающих природное равновесие в нижележащих земных массах, и чаще всего создаются инженерно-строительной деятельностью.
2. Внутренние причины возникают при изъятии из недр минеральных веществ. При этом также нарушается природное равновесие, главным образом вышележащих масс. Такие причины в основном порождаются горнотехнической деятельностью.
3. Сложные причины представляют собой сочетание внешних и внутренних. В данном случае природное равновесие нарушается наиболее интенсивно. Происходит как бы суммирование искусственно созданных процессов, обусловленных преимущественно механическим воздействием, нарушающим первоначальную структуру сложения горных пород. Иначе говоря, речь идет об изменениях, которые не могли бы возникнуть без вмешательства человека. При более подробном рассмотрении можно выявить элементы не только механического воздействия, но и химического, активно влияющего на ход этих процессов.
Влияние инженерно-строительной деятельности
Эта деятельность человека приводит к созданию преимущественно внешних факторов, постоянных переменных. Они представлены в виде дополнительных нагрузок на земные массы и, как правило, вызывают ограниченные по зоне воздействия нарушения.
Когда возводят здания, плотины и другие сооружения, создают условия для возникновения антропогенных тектонических процессов.
Особенно наглядно подобные процессы проявляются в быстрых нарушениях строения земных масс при гидротехническом строительстве. Во Франции в 1878--1881 гг. в Вогезском департаменте близ города Эпиналя возвели плотину Бузей с целью создания водохранилища вместимостью свыше 7 млн. м3. Вскоре в плотине появились трещины, началась течь. А 27 апреля 1895 г., когда вода находилась на максимальном уровне, произошла катастрофа. Часть плотины длиной 181 м внезапно опрокинулась. Авария стоила жизни многим людям и принесла большие убытки. Под сооружением залегал водопроницаемый трещиноватый песчаник. Он не выдержал искусственно созданной внешней нагрузки. Если бы плотина возводилась с учетом возможных тектонических нарушений и соответствующим их предупреждением, этого бы не произошло.
Итак, наблюдалось изменение напряженного состояния массивов земной коры. Превышение критического предела напряжения приводило к катастрофическим нарушениям типа поверхностных землетрясений. Но это -- явления исключительные. Как правило, внешние постоянные нагрузки приводят к постепенным деформациям поверхностных участков литосферы.
Городское, тем более высотное, строительство создает под зданиями зоны сжатия и сдвига. Глубина зон достигает 2-50 м. Под каждым зданием формируется осадочная воронка. Величина осадков колеьлется от 0 до 6 м , чаще всего 0,1--0,3 м. Катастрофические последствия возникают лишь в тех случаях, когда статическая нагрузка превышает сопротивляемость сжатию.
Исследования подтверждают, что не только отдельные сооружения, но и города в целом воздействуют своей массой на поведение верхних участков земной коры. Эти участки периодически опускаются и поднимаются, чаще всего за счет морозного пучения.
Таким образом, постоянные поверхностные нагрузки, создаваемые инженерно-строительной деятельностью, способствуют быстрому изменению строения земных масс верхней части литосферы. При сохранении естественных условий такие нарушения были бы невозможны.
Следует отметить, что эти нагрузки можно рассматривать как постоянные лишь для сооружений, не являющихся промышленными. В большинстве случаев для промышленных объектов характерно присутствие и переменных нагрузок, которые подчас не учитываются. Например, вибрация. Эта разновидность различных по силе и частоте нагрузок создается работой тяжелых механизмов, движущимся транспортом, взрывами и т.д. Вибрации -- искусственные землетрясения некатастрофического характера. Они могут быть причиной нарушения строения отдельных участков литосферы.
Динамические нагрузки приводят к опусканию в городах и на промышленных площадках не только малых участков поверхности, но и более крупных зон. Установлено, что вибрации городского транспорта могут проникать на глубину до 70 м. Поэтому в некоторых городах Голландии дома, примыкающие к старым автострадам, наклонены в сторону шоссе.
По данным К. Терцаги и Р. Пека, максимальная осадка возникает при частотах колебаний от 500 до 2500 в минуту.
Все шире при строительстве используют взрывы. Их мощность нарастает. Один из крупнейших неатомных взрывов произошел 5 апреля 1958 г. Между о. Ванкувер и Западной Канадой. Здесь в тоннеле, прорытом в большой подводной скале, заложили 1250 т взрывчатки. Подземные толчки от взрыва были зарегистрированы на расстоянии свыше 1000 км. Это сотрясение земных масс привело к нарушению первоначального строения пород в зоне, размеры которой очень велики. Еще более эффективна по своему воздействию термоядерная взрывная энергия. Мощные подземные атомные взрывы вызывают сейсмические колебания, отмечаемые даже в отдаленных уголках земного шара.
В этой связи следует подчеркнуть, что если для строителей имеет главное значение направленный выброс земной массы с целью создания выемки определенных размеров, то для инженерно-геологического обоснования целесообразности таких мероприятий требуется соответствующее изучение состава и свойств пород, подлежащих быстрому перемещению.
Таким образом, нарушения в приповерхностной части литосферы в результате инженерно-строительной деятельности по своим причинам и последствиям могут быть многообразными. Они должны стать объектом специального углубленного изучения.
Влияние горнотехнической деятельности
Эта деятельность, затрагивающая непосредственно недра, как правило, связана с более сложными процессами. В природных условиях известным их аналогом являются нарушения, вызванные карстовыми явлениями, суффозями и т.д., при которых возникают провалы и опускания земной поверхности из-за образования подземных пустот. Деятельность человека, связанная с созданием таких пустот, прежде всего проявляется в отборе из недр полезных ископаемых.
Здесь мы имеем дело либо с искусственно созданными пустотами при подземной выемке твердых полезных ископаемых, либо с последствиями удаления жидких или газообразных наполнителей из пустот, ранее существовавших в земной коре.
Отмечены и катастрофические нарушения. Они наблюдались в гавани Лонг-Бич близ Сан-Франциско (Калифорния) на третьей по величине нефтяной структуре США -- Уилмингтон. К 1957 г. Поверхность района опустилась почти на 8 м. Возникло своеобразное эллиптическое прогибание площади с осями длиной 10 и 65 км. Разрушились здания, мосты, дороги и промышленные сооружения. Ущерб превысил 100 млн. дол.
Скорость оседания соответствовала темпам добычи нефти, давление в эксплуатируемых скважинах снизилось со 150 до 15--22 кгс/см2. Подземные воды тут получали с глубины 550 м и меньше, поэтому считалось, что в данном случае откачка вод не оказывала столь существенного влияния на оседание поверхности. Хотя прибрежный район Калифорнии является зоной современных движений земной коры, однако в последнее время не было зафиксировано усиление тектонических движений, обусловленных природными факторами. Причина, безусловно, заключена в хозяйственной деятельности человека.
Этот пример, в котором не учитывалась возможность суммарного воздействия на поверхностную часть Земли, нарушений, вызванных человеком и одновременно стихийными геологическими силами.
При усиленном отборе жидких и газообразных полезных ископаемых одной из главных проблем является поддержание первоначального давления в пластах. Оно способствует максимальному извлечению необходимых минеральных веществ и сохранению стабильного состояния определенных участков земной коры.
В результате искусственного освобождения пустот при эксплуатации подземных вод, жидких и газообразных полезных ископаемых, залегающих, как правило, в осадочных породах, процессы изменения внутрипластового давления влекут за собой цепную реакцию других нарушений: изменяется термический, газовый и геохимический режим в верхней части литосферы.
Установлено, что понижение пьезометрического уровня подземных вод на каждые 10 м водоносной толщи увеличивает нагрузку вышележащих пород в среднем на 1 кгс/см2.
Наиболее прочны скальные породы. Они практически не сжимаются. Глинистые образования, илы, сапропели, торфы дают большие осадки. Их степень уплотнения зависит от многих факторов: возраста, происхождения, влажности и т.д. Там, где залегают подобные породы, и отмечены наиболее заметные оседания поверхности -- тектонические нарушения, связанные с хозяйственной деятельностью человека.
Совместное влияние инженерно-строительной и горнотехнической деятельности
Человек воздействует на приповерхностную часть литосферы чаще всего двусторонне. Там, где он занимается инженерно-строительной деятельностью, нередко эксплуатируются и недра. Особенно это характерно для горнорудных районов. Подработка застроенных территорий заставляет подчас переносить поселки, а иногда и города на новые места или ставить вопрос о прекращении добычи полезного ископаемого.
Приповерхностные участки на территории таких крупных поселений могут деформироваться вследствие ряда причин. Это добыча строительных полезных ископаемых и возведение подземных сооружений, понижение уровня грунтовых вод при водоснабжении, сжимание и разрыхление земных масс под влиянием осушения и увлажнения или разложения органических веществ, количество которых все время возрастает в так называемых культурных отложениях.
Большинство подобных причин приводит к опусканию застроенных территорий. Положение усугубляется тем, что деформации происходят не одновременно. По степени воздействия можно выделить основные причины нарушений.
1. Понижение уровня безнапорных и напорных водоносных горизонтов в районах городов. Радиус распространения осадков здесь достигает тысяч метров. Возникшие локальные опускания имеют тенденцию к слиянию и переходу в региональные, так как водопотребление постоянно увеличивается.
2. Строительство подземных сооружений, в частности метрополитена. В данном случае опускается узкая полоса территории шириной несколько сотен метров.
3. Действие статических и динамических нагрузок. Под действием веса сооружения образуются осадочные воронки, которые распространяются за пределы зданий на десятки метров. Динамические нагрузки от транспорта распространяются вдоль дорог. На небольших участках сказывается действие вибрационных и других ударных механизмов.
4. Изменение режима влажности пород и разложение органических веществ в зоне аэрации.
Таким образом, речь идет о комплексном сочетании горнотехнических (внутренних) и инженерно-строительных (внешних) причин.
Гидрогеологические исследования в Лондоне показали, что длительное искусственное понижение подземных вод и создание депрессионных воронок в зонах откачки привели к возникновению новых процессов. Изменились гидродинамический, химический и температурный режимы водоносных горизонтов, переместились области питания, стока и разгрузки вод. Это в свою очередь привело к тому, что реки на отдельных участках из естественной дренажной системы превратились в источники питания подземных вод. В окрестностях Большого Лондона отмечено исчезновение родников и мелких ручьев. Ухудшилось и качество пресной воды, из эстуария начали поступать солоноватые морские воды. Так изменялась гидрогеологическая обстановка. Наряду с этим преобразовывались осадочные породы. Происходил процесс их осушения и уплотнения.
Следует отметить, что в отличие от Москвы и Лондона в ряде крупнейших городов мира тектонические движения земной поверхности, вызванные усиленным водоотбором, уже теперь приводят к катастрофическим последствиям, требующим принятия неотложных мер. Венеция возникла в лагуне, состоящей из 117 мелких островов. 15 тысяч домов города поставлены на миллионы свай длиной от 3 до 10 м. Сваи в илистое или песчаное дно. Венеция соединена с сушей почти четырехкилометровой дамбой. Казалось бы, со временем благодаря наносам с суши и уменьшению процессов размыва здесь будут накапливаться минеральные отложения. Иначе говоря, Венеция должна превращаться в сухопутное поселение. Однако каждое столетие она опускается примерно на 20 см в море. Когда-то вход в гавань охраняла крепость Св. Андрея. В 1950 г. Знаменитое творение зодчего Санмикели обрушилось. Относительно будущего этого уникального города пока преобладают пессимистические прогнозы.
С давних времен Япония усиленно потребляет подземные воды. Их откачка привела к уплотнению массивов пород, сложенных осадочными образованиями. Теперь часть Токио располагается ниже уровня моря. Оседание отмечено на площади в несколько сотен квадратных километров. В отдельных местах поверхность ежегодно опускается на 18-20 см. За полстолетия город опустился почти на 3,5 м, притом наиболее быстрые опускания происходили в последнее время. Любопытен и такой факт. К концу второй мировой войны многие скважины в Токио не работали, и оседание поверхности прекратилось. Это свидетельствует о том, что тектонические нарушения здесь, безусловно, связаны с хозяйственной деятельностью человека.
В последние десятилетия проблемы городского строительства и охраны окружающей среды поставили на повестку дня задачу хозяйственного освоения недр под промышленными и культурными центрами. Тысячи километров подземных дорог сооружены под большими городами. Все это требует продуманного изучения и прогнозирования тех изменений, которые могут возникнуть в результате развития работ, сочетающих в себе инженерно-геологические и горнотехнические аспекты.
По данным вопросам, относящимся к горной геомеханике, имеется достаточно обширная литература, которая может быть весьма полезной, в частности при теоретических и прогнозных разработках и в целом для комплексного рассмотрения проблем, связанных с влиянием деятельности человека на строение приповерхностных участков литосферы.
В горном деле, например, используют два основных вида защитных мероприятий: горные и конструктивные. Наиболее эффективными считаются горные мероприятия, так как они предусматривают частичное или почти полное сохранение ранее существовавших природных условий в породах, залегающих над подземными выработками. В настоящее время к числу таких общепризнанных мер относят закладку отработанных участков материалом, дающим наименьшую усадку
Применительно к постановке проблемы в целом следует лишь обратить внимание на то, что при закладке нередко используются искусственно созданные смеси и естественные массы, которые без человеческой деятельности не могли бы проявиться в недрах.
Таким образом, мы должны учитывать, что инженерно-строительная и горнотехническая деятельность вызывает изменения не только в строении горных масс, но и в их составе.